本文將要說明 PHP 發展歷程中的垃圾回收及記憶體管理相關內容。
引用計數
在 PHP 5.2 及先前的版本中，PHP 的垃圾回收採用的是 引用計數 演算法。
引用計數基礎
php 的變數儲存在「zval」變數容器（資料結構）中，「zval 」屬性包含以下資訊：
- 目前變數的資料型別；
- 目前變數的值;
- 用於識別變數是否為引用傳遞的is_ref 布林類型標識；
- 指向該「zval」變數容器的變數個數的refcount 識別碼（即這個zval 被引用的次數，注意這裡的引用不是指引用傳值，注意區分）。
當一個變數被賦值時，就會產生一個對應的「zavl」變數容器。 【推薦學習：PHP影片教學】
查看變數zval 容器資訊
要查看變數的「zval」容器資訊（即查看變數的is_ref 和refcount），可以使用XDebug 偵錯工具的xdebug_debug_zval() 函數。
安裝XDebug 擴充插件的方法可以查看這個教學（https://github.com/huliuqing/phpnotes/issues/58），有關XDebug 使用方法請閱讀官方文件（https://xdebug.org /docs/）。
假設，我們已經成功安裝好 XDebug 工具，現在就可以來對變數進行偵錯了。
- 查看普通變數的zval 訊息
如果我們的PHP 語句只是對變數進行簡單賦值時，is_ref 標識值為0，refcount 值為1；若將這個變數作為值賦值給另一個變數時，則增加zval 變數容器的refcount 計數；同理，當銷毀（unset）變數時，「refcount」對應的減去1。
請看下面的範例：
<?php // 变量赋值时，refcount 值等于 1 $name = 'liugongzi'; xdebug_debug_zval('name'); // (refcount=1, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9) // $name 作为值赋值给另一个变量， refcount 值增加 1 $copy = $name; xdebug_debug_zval('name'); // (refcount=2, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9) // 销毁变量，refcount 值减掉 1 unset($copy); xdebug_debug_zval('name'); // (refcount=1, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9)
- #寫時複製
#寫時複製（Copy On Write：COW），簡單描述為：如果透過賦值的方式賦值給變數時不會申請新內存來存放新變數所保存的值，而是簡單的透過一個計數器來共用內存，只有在其中的一個引用指向變數的值發生變化時，才申請新空間來保存值內容以減少對記憶體的佔用。 - TPIP 寫時複製
透過前面的簡單變數的zval 資訊我們知道$copy 和$name 共用zval 變數容器（記憶體），然後透過refcount 來表示目前這個zval 被多少個變數使用。
看個實例：
<?php $name = 'liugongzi'; xdebug_debug_zval('name'); // name: (refcount=1, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9) $copy = $name; xdebug_debug_zval('name'); // name: (refcount=2, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9) // 将新的值赋值给变量 $copy $copy = 'liugongzi handsome'; xdebug_debug_zval('name'); // name: (refcount=1, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9) xdebug_debug_zval('copy'); // copy: (refcount=1, is_ref=0)='liugongzi handsome'
注意到沒有，當值liugongzi handsome 賦值給變數$copy 時，name 和copy 的refcount 值都變成了1，在這個過程中發生以下幾個操作：
- 將$copy 從$name 的zval（內從）中分離出來（即複製）；
- 將$name 的refcount 減去1;
- 對$copy 的zval 進行修改（重新賦值和修改refcount）；
這裡只是簡單地對「寫時複製」進行介紹，有興趣的朋友可以閱讀文末給予的參考資料進行更深入的研究。
- 查看引用傳遞變數的zval 訊息
引用傳值（&）的「引用計數」規則同普通賦值語句一樣，只是is_ref # 標識的值為1 表示該變數是引用傳值型別。
我們現在來看看引用傳值的範例：
<?php $age = 'liugongzi'; xdebug_debug_zval('age'); // (refcount=1, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9) $copy = &$age; xdebug_debug_zval('age'); // (refcount=2, is_ref=1)string 'liugongzi' (length=9) unset($copy); xdebug_debug_zval('age'); // (refcount=1, is_ref=1)string 'liugongzi' (length=9)
- 複合型別的參考計數
與標量型別（整數型、浮點型、布林型等）不同，陣列（array）和物件（object）這種符合類型的引用計數規則會稍微複雜一些。
為了更好的說明，還是先看看數組的引用計數範例：
$a = array( 'meaning' => 'life', 'number' => 42 ); xdebug_debug_zval( 'a' ); // a: // (refcount=1, is_ref=0) // array (size=2) // 'meaning' => (refcount=1, is_ref=0)string 'life' (length=4) // 'number' => (refcount=1, is_ref=0)int 42
上面的引用計數示意圖如下：
$a = array( 'meaning' => 'life', 'number' => 42 ); xdebug_debug_zval( 'a' ); $a['life'] = $a['meaning']; xdebug_debug_zval( 'a' ); // a: // (refcount=1, is_ref=0) // array (size=3) // 'meaning' => (refcount=2, is_ref=0)string 'life' (length=4) // 'number' => (refcount=0, is_ref=0)int 42 // 'life' => (refcount=2, is_ref=0)string 'life' (length=4)大致示意圖如下：
- 内存泄露
虽然，复合类型的引用计数规则同标量类型大致相同，但是如果引用的值为变量自身（即循环应用），在处理不当时，就有可能会造成内存泄露的问题。
让我们来看看下面这个对数组进行引用传值的示例：
<?php // @link http://php.net/manual/zh/function.memory-get-usage.php#96280
function convert($size)
{
$unit=array('b','kb','mb','gb','tb','pb');
return @round($size/pow(1024,($i=floor(log($size,1024)))),2).' '.$unit[$i];
}
// 注意：有用的地方从这里开始
$memory = memory_get_usage();
$a = array( 'one' );
// 引用自身（循环引用）
$a[] =&$a;
xdebug_debug_zval( 'a' );
var_dump(convert(memory_get_usage() - $memory)); // 296 b
unset($a); // 删除变量 $a，由于 $a 中的元素引用了自身（循环引用）最终导致 $a 所使用的内存无法被回收
var_dump(convert(memory_get_usage() - $memory)); // 568 b从内存占用结果上看，虽然我们执行了 unset($a) 方法来销毁 $a 数组，但内存并没有被回收，整个处理过程的示意图如下：
可以看到对于这块内存，再也没有符合表（变量）指向了，所以 PHP 无法完成内存回收，官方给出的解释如下：
尽管不再有某个作用域中的任何符号指向这个结构 (就是变量容器)，由于数组元素 “1” 仍然指向数组本身，所以这个容器不能被清除 。因为没有另外的符号指向它，用户没有办法清除这个结构，结果就会导致内存泄漏。庆幸的是，php 将在脚本执行结束时清除这个数据结构，但是在 php 清除之前，将耗费不少内存。如果你要实现分析算法，或者要做其他像一个子元素指向它的父元素这样的事情，这种情况就会经常发生。当然，同样的情况也会发生在对象上，实际上对象更有可能出现这种情况，因为对象总是隐式的被引用。 - 摘自 官方文档 Cleanup Problems
简单来说就是「引用计数」算法无法检测并释放循环引用所使用的内存，最终导致内存泄露。
引用计数系统的同步周期回收
由于引用计数算法存在无法回收循环应用导致的内存泄露问题，在 PHP 5.3 之后对内存回收的实现做了优化，通过采用 引用计数系统的同步周期回收 算法实现内存管理。引用计数系统的同步周期回收算法是一个改良版本的引用计数算法，它在引用基础上做出了如下几个方面的增强：
- 引入了可能根（possible root）的概念：通过引用计数相关学习，我们知道如果一个变量（zval）被引用，要么是被全局符号表中的符号引用（即变量），要么被复杂类型（如数组）的 zval 中的符号（数组的元素）引用，那么这个 zval 变量容器就是「可能根」。
- 引入根缓冲区（root buffer）的概念：根缓冲区用于存放所有「可能根」，它是固定大小的，默认可存 10000 个可能根，如需修改可以通过修改 PHP 源码文件 Zend/zend_gc.c 中的常量 GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES，再重新编译。
- 回收周期：当缓冲区满时，对缓冲区中的所有可能根进行垃圾回收处理。
下图（来自 PHP 手册）,展示了新的回收算法执行过程：
引用计数系统的同步周期回收过程
- 缓冲区（紫色框部分，称为疑似垃圾），存储所有可能根（步骤 A）；
- 采用深度优先算法遍历「根缓冲区」中所有的「可能根（即 zval 遍历容器）」，并对每个 zval 的 refcount 减 1，为了避免遍历时对同一个 zval 多次减 1（因为不同的根可能遍历到同一个 zval）将这个 zvel 标记为「已减」（步骤 B）；
- 再次采用深度优先遍历算法遍历「可能根 zval」。当 zval 的 refcount 值不为 0 时，对其加 1,否则保持为 0。并请已遍历的 zval 变量容器标记为「已恢复」（即步骤 B 的逆运算）。那些 zval 的 refcount 值为 0 （蓝色框标记）的就是应该被回收的变量（步骤 C）；
- 删除所有 refcount 为 0 的可能根（步骤 D）。
整个过程为：
采用深度优先算法执行：默认删除 > 模拟恢复 > 执行删除 达到内存回收的目的。
优化后的引用计数算法优势
- 将内存泄露控制在阀值内，这个由缓存区实现，达到缓冲区大小执行新一轮垃圾回收；
- 提升了垃圾回收性能，不是每次 refcount 减 1 都执行回收处理，而是等到根缓冲区满时才开始执行垃圾回收。
你可以从 PHP 手册 的回收周期 了解更多，也可以阅读文末给出的参考资料。
PHP 7 的内存管理
PHP 5 中 zval 实现上的主要问题：
- zval 總是單獨 從堆中分配記憶體；
- zval 總是儲存引用計數和循環回收 的信息，即使是整數型（bool / null）這種可能並不需要此類資訊的資料；
- 在使用物件或資源時，直接引用會導致兩次計數；
- 某些間接存取需要一個更好的處理方式。例如現在存取儲存在變數中的物件間接使用了四個指標（指標鏈的長度為四）；
- 直接計數也意味著數值只能在 zval 之間共用。如果想要在 zval 和 hashtable key 之間共用一個字串就不行（除非 hashtable key 也是 zval）。
PHP 7 中的zval 資料結構實現的調整：
最基礎的變化就是zval 需要的記憶體不再是單獨從堆上分配，不再由zval 儲存引用計數。
複雜資料類型（例如字串、陣列和物件）的參考計數由其自身來儲存。 - 摘自Internal value representation in PHP 7 - Part 1【譯】
這種實現的優勢：
- 簡單資料型別不需要單獨分配內存，也不需要計數；
- 不會再有兩次計數的情況。在物件中，只有物件本身儲存的計數是有效的；
- 由於現在計數由數值本身儲存（PHP 有zval 變數容器儲存），所以也就可以和非zval 結構的資料共享，例如zval和hashtable key 之間；
- 間接存取所需的指標數減少了。
更具體的有關 PHP 7 zval 實作和記憶體最佳化細節可以閱讀 深入理解 PHP7 核心之 zval 和 Internal value representation in PHP 7 - Part 1翻譯。 （https://www.npopov.com/2015/05/05/Internal-value-representation-in-PHP-7-part-1.html）